BRPI0717081B1

BRPI0717081B1 - elemento de conduto de elevada pressão, comportando uma ligação de tubulações guarnecidas com aros e método de fabricação.

Info

Publication number: BRPI0717081B1
Application number: BRPI0717081A
Authority: BR
Inventors: Papon Gérard; Guesnon Jean
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2018-10-16
Also published as: US9163757B2; US20100139802A1; FR2906338A1; WO2008043891A3; NO342369B1; NO20091102L; BRPI0717081A2; WO2008043891A2; FR2906338B1

Description

(54) Título: ELEMENTO DE CONDUTO DE ELEVADA PRESSÃO, COMPORTANDO UMA LIGAÇÃO DE TUBULAÇÕES GUARNECIDAS COM AROS E MÉTODO DE FABRICAÇÃO.

(51) lnt.CI.: F16L 13/02 (30) Prioridade Unionista: 25/09/2006 FR 06 08446 (73) Titular(es): IFP (72) Inventor(es): GÉRARD PAPON; JEAN GUESNON (85) Data do Início da Fase Nacional: 25/03/2009

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ELEMENTO

DE CONDUTO DE ELEVADA PRESSÃO, COMPORTANDO UMA LIGAÇÃO DE TUBULAÇÕES GUARNECIDAS COM AROS E MÉTODO DE FABRICAÇÃO.

A presente invenção refere-se à realização de elemento de con. duto de alta pressão. Mais particularmente, a invenção propõe um conduto _w de alta pressão composto de uma ligação de tubulações guarnecidas com aros, assim como um processo de fabricação dessa ligação.

A técnica da guarnição com aros consiste em enrolar um ele10 mento de reforço, geralmente sob a forma de uma cinta em fibras revestidas em uma matriz em polímero, em torno de uma tubulação metálica, a fim de aumentar a resistência da tubulação à pressão interna, sem aumentar seu peso de maneira significativa.

É notadamente considerada a utilização das tubulações guarne15 cidas com aros para explorar jazidas petrolíferas no mar. As tubulações guarnecidas com aros podem ser utilizadas para fabricar condutos para transportar o petróleo de uma cabeça de poço implantada no fundo do mar a uma instalação de tratamento situada na superfície do mar. Mais precisamente, as tubulações guarnecidas com aros podem ser utilizadas para reali20 zar os condutos instalados no fundo do mar, comumente denominados flow unes, os condutos ligando o fundo do mar à superfície, comumente denominados riser, ou os condutos auxiliares, tais como os kiil unes e choke unes que têm por função estabelecer uma ligação hidráulica paralela ao riser entre a superfície e a cabeça de poço situada no fundo do mar.

As tubulações guarnecidas com aros são fabricadas por trechos de tubulação, que podem atingir de 20 a 30 metros. Para realizar os condutos de alta pressão, unem-se ponta a ponta as tubulações guarnecidas com aros por soldagem. Quando da operação de soldagem, o material de guarnição com aros situados nas extremidades da tubulação corre o risco de ser danificado pelo calor desprendido, quando da soldadura. O conduto assim obtido corre o risco de apresentar uma pequena manutenção mecânica no nível das juntas soldadas.

A presente invenção propõe uma técnica de ligação de tubulações guarnecidas com aros por soldagem que permite notadamente realizar um conduto, sem ponto fraco do ponto de vista da resistência mecânica.

De maneira geral, a invenção propõe um elemento de conduto 5 de alta pressão, comportando pelo menos duas tubulações metálicas refor« çadas por guarnições com aros, as extremidades das tubulações sendo descobertas, as tubulações sendo ligadas ponto a ponto por uma soldadura das extremidades desprotegidas, uma luva recobrindo a soldadura, assim como uma parte da guarnição com aro de cada tubulação, formando um espaço anular entre as extremidades desprotegidas das tubulações e a luva, esse espaço sendo preenchido com um material injetável e endurecível.

De acordo com a invenção, a superfície interna da luva pode comportar estrias. A luva pode comportar extremidades de forma cônica. A guarnição com aros pode comportar elementos de reforço em fibras revesti15 das em um material polímero. O material injetável e endurecível pode comportar um polímero.

Podem-se escolher as características da luva, de maneira que o conjunto constituído pela luva, o espaço preenchido pelo material injetável e endurecível e a extremidade desprotegida das tubulações apresenta uma resistência à pressão interna superior àquela das tubulações metálicas reforçadas por guarnições com aros.

A presente invenção se refere também a um método de fabricação de um conduto de alta pressão, comportando pelo menos duas tubulações metálicas, o método comportando pelo menos as seguintes operações:

a) enrolam-se elementos de reforço em torno das tubulações metálicas, deixando desprotegidas as extremidades das tubulações;

b) ligam-se ponta a ponta as tubulações por uma soldadura;

c) dispõe-se a luva em posição no nível da soldadura, a luva recobrindo a soldadura, assim como uma parte dos elementos de reforço de cada tubulação formando um espaço anular entre as extremidades desprotegidas das tubulações e a luva; e

d) injeta-se um material endurecível no espaço anular. Na etapa

d), pode-se polimerizar o material endurecível.

Na etapa a), pode-se enrolar sob tensão os elementos de reforço, de maneira a introduzir um pré-esforço circunferencial nas tubulações metálicas.

Alternativamente, antes da etapa b), pode-se aplicar uma pressão interna nas tubulações revestidas de elementos de reforço até deformar as tubulações de maneira plástica, a fim de introduzir um pré-esforço circunferencial nas tubulações metálicas.

Alternativamente, após a etapa d), pode-se aplicar uma pressão interna no elemento de conduto até deformar as tubulações metálicas de maneira plástica, a fim de introduzir um pré-esforço circunferencial nas tubulações metálicas.

De acordo com a invenção, pode-se efetuar a operação a) em uma usina especializada, depois podem ser transportadas as tubulações revestidas com elementos de reforço sobre o local de ligação, depois podem ser efetuadas as operações b), c) e d) sobre o local de ligação.

Outras características e vantagens da invenção serão melhor compreendidas e aparecerão claramente com a leitura da descrição feita a seguir com referência aos desenhos, dentre os quais:

- a figura 1 representa uma ligação de duas tubulações guarnecidas com aros;

- a figura 2 representa uma vista em corte de uma luva; e

- a figura 3 esquematiza um conduto de alta pressão, de acordo com a invenção.

Na figura 1, as tubulações metálicas 1 e 3 são respectivamente recobertas pelos elementos de reforço 2 e 4. Em geral, na indústria petrolífera, trabalham-se tubulações metálicas de comprimento compreendido entre 10 m e 20 m.

Os elementos de reforço 2 e 4 são cintas de material compósito enroladas sobre a superfície externa das tubulações 1 e 3. As cintas são constituídas de fibras, por exemplo, fibra de vidro, de carbono, ou de aramida, as fibras sendo revestidas em uma matriz polímero, termoplástica ou termoendurecível, tal como uma poliamida.

Os elementos de reforços podem ser enrolados sob tensão, a fim de introduzir um pré-esforço circunferencial nas tubulações metálicas e, assim, melhorar a manutenção à pressão interna das tubulações metálicas.

Uma técnica de guarnição com aros das tubulações pode ser aquela que , consiste em enrolar sob tensão cintas em material compósito em torno de um corpo tubular em metal. Essa técnica de guarnição com aros é notadamente descrita nos documentos FR 2 828 121, FR 2 828 262, US 4,5

14,254.

Alternativamente, as tubulações 1 e 3 podem ser autoguarnecidas com aros: o esforço de guarnição com aro é introduzido, quando de uma prova hidráulica das tubulações a uma pressão que provoca a ultrapassagem do limite elástico na tubulação metálica. Em outros termos, enrolam-se cintas em material compósito em torno da tubulação em metal. Quando da operação de enrolamento, as cintas não induzem ou induzem apenas um esforço muito pequeno na tubulação metálica. Depois, aplica-se uma pressão determinada no interior da tubulação, de modo que o esforço no metal ultrapassa o limite elástico do metal e a tubulação se deforma de maneira plástica. A pressão pode ser aplicada na tubulação pela introdução de um fluido sob pressão. Após retorno à pressão nula, subsistem esforços residuais de compressão na tubulação metálica e esforços de tração nas cintas em matéria compósita.

Alternativamente, a operação de autoguarnição com aros é realizada após ligação das tubulações elementares. Os elementos de reforço podem ser dispostos em torno da tubulação metálica, sem induzir esforço na tubulação metálica, isto é, quando da operação de enrolamento, as cintas não induzem ou induzem apenas um esforço muito pequeno na tubulação metálica. Depois, as tubulações recobertas de elementos de reforço são ligadas, segundo o processo de ligação descrito a seguir. A colocação sob esforço dos elementos de reforço é feita posteriormente à operação de ligação das tubulações 1 e 3: os elementos de reforço são colocados sob esforço, aplicando-se uma pressão predeterminada na ligação de tubulação, de modo que o esforço no metal ultrapasse o limite elástico do metal e que a tubulação se deforme de maneira plástica.

Em todos os casos, com referência à figura 1, as extremidades das tubulações 1 e 3 são desprovidas de elemento de reforço sobre uma zona G de comprimento axial d1. O comprimento d1 é escolhido, de maneira , a evitar danificar os elementos de reforço 2 e 4 por uma temperatura excessiva, quando das operações de soldagem. Com efeito, a superfície desprotegida situada em cada extremidade das tubulações facilita as operações de soldadura e permite, em particular, dissipar o calor, quando da soldadura das tubulações 1 e 3. O comprimento desprotegido d1 pode ser determinado em consequência dos testes de medida do perfil de temperatura na tubulação metálica, quando de diversas operações de soldadura. O comprimento d1 pode estar compreendido entre 100 mm e 300 mm.

Uma extremidade da tubulação 1 é ligada a uma extremidade da tubulação 3 pela soldadura 5. Realiza-se a operação de soldagem, de maneira que a tubulação 1 e a tubulação 3 sejam sensivelmente coaxiais, isto é, tenham o mesmo eixo A-A'.

Uma luva 6 vem consolidar a ligação das tubulações 1 e 3, no nível da soldadura 5. De preferência, a luva apresenta uma forma interna cilíndrica. Por exemplo, a luva 6 pode ser um trecho de tubulação que recobre as tubulações 1 e 3. O eixo da luva 6 corresponde sensivelmente ao eixo A-A' das tubulações 1 e 3. A luva 6 cobre completamente as zonas G desprotegidas das tubulações 1 e 3, assim como uma parte dos elementos de reforço 2 e 4 correspondendo às zonas F na figura 1. Uma zona F se esten25 de em um comprimento axial d2. Em geral, escolhe-se o comprimento d2 aproximadamente igual ao comprimento d1. Por exemplo, a zona F se estende em um comprimento axial d2 compreendida entre 100 mm e 300 mm.

A figura 2 representa uma variante da forma da luva 6: as extremidades da luva são talhadas enviesadas. Na figura 2, a luva possui uma parte central C em forma de tubulação. As extremidades da parte central C são prolongadas pelas partes E que apresenta uma forma cônica. A superfície interna da luva sobre as partes E e C forma uma superfície cilíndrica de raio constante. Ao contrário, a espessura da luva, que é constante sobre a parte central C, diminui no nível das partes cônicas E até se tornar quase nula. Assim, a forma cônica das partes E permite efetuar uma transição do ponto de vista da resistência mecânica entre a tubulação guarnecida com aros e a zona soldada reforçada pela luva.

O diâmetro interno da luva 6 é igual ou ligeiramente superior ao diâmetro do cilindro formado pela superfície externa das guarnições com aros 2 e 4. O diâmetro interno da luva 6 pode ser determinado, considerando-se fenômenos de ovalização das tubulações guarnecidas com aros e as tolerâncias de fabricação das tubulações guarnecidas com aros.

A luva 6 forma com as tubulações 1 e 3 um espaço anular fechado, esse espaço sendo delimitado axialmente pelos elementos de reforço 2 e 4. O espaço anular se estende sobre as zonas G. Esse espaço anular é cheio por um material injetável e endurecível. O polímero é injetado pelo ori15 fício de injeção 7, de maneira a preencher todo o espaço e formar assim um elemento 9 que transmite os esforços entre as tubulações 1 e 3 e a luva 6. O elemento 9 pode transmitir à luva 6 esforços radiais gerados pela pressão interna sofrida pelas tubulações 1 e 3. E, ao contrário, o elemento 9 pode transmitir às tubulações 1 e 3 esforços radiais gerados pela pressão externa suportada pela luva 6. Escolhe-se o material do elemento 9, notadamente por suas qualidades mecânicas: o material deve poder transmitir os esforços entre as tubulações em aço e a luva. Por exemplo, o material comporta um polímero termoplástico ou termoendurecível, eventualmente misturar com uma carga, tal como fibras de carbono, de vidro ou de aramida.

A luva pode ser provida de um orifício de purificação 8, permitindo a evacuação do ar, quando da injeção do polímero. Assim, evita-se deixar bolsas de ar no espaço anular entre a luva 6 e as tubulações em aço 1 e 3, essas bolsas de ar podendo prejudicar a transmissão e a repartição dos esforços entre as tubulações e a luva. De preferência, o orifício de injeção 7 e o orifício de purificação ficam situados diametralmente opostos e nas extremidades opostas da luva, a fim de favorecer o enchimento do espaço anular entre a luva 6 e as tubulações 1 e 3.

Α superfície interna da luva pode comportar estrias ou ranhuras, de maneira a melhorar a aderência do material que forma o elemento 9 na luva 6.

De preferência, escolhem-se as características da luva 6, de 5 maneira que o conjunto mecânico constituído pela luva 6, pelas zonas G das tubulações 1 e 2, e do elemento 9 apresenta uma resistência à pressão interna superior àquela das tubulações 1 e 3 reforçadas pelos elementos de reforço 2 e 4. Por exemplo, podem-se escolher o tipo de aço, as dimensões, a geometria da luva 6, os materiais do elemento 9. Por exemplo, o tipo de aço da luva pode apresentar uma melhor resistência mecânica do que o aço das tubulações 1 e 3.

A junção das tubulações guarnecidas com aro para realizar uma ligação, segundo a figura 1, pode ser realizada, efetuando-se as etapas descritas a seguir.

Enrolam-se elementos de reforço em torno de cada uma das tubulações metálicas, deixando-se as extremidades das tubulações livres sobre as zonas G. As cintas podem ser enroladas sob tensão em torno das tubulações metálicas, de maneira a induzir esforços na tubulação metálica.

As cintas podem também ser enroladas, não se induzindo ou induzindo apenas um pequeno esforço nas tubulações metálicas. Nesse caso, pode-se aplicar uma prova hidráulica na tubulação metálica, de maneira a realizar por autoguarnição com aros uma colocação sob esforço das tubulações metálicas e dos elementos de reforço. Pode-se também aplicar essa prova hidráulica posteriormente.

Eventualmente, antes da operação de soldagem, introduz-se a luva em torno de uma das tubulações guarnecidas com aros a juntar, isto é, fazendo-se deslizar a luva em torno das tubulações guarnecidas com aros.

Dispõem-se as tubulações guarnecidas com aro ponta a ponta e efetua-se a soldadura 5. Pode-se fazer um controle não-destrutivo da solda30 dura, por exemplo, por raio X ou por ultra-som, a fim de verificar se a soldadura não apresenta defeito.

Leva-se a luva 6 em posição acima da soldadura 5.

Dispõem-se meios de manutenção da luva em posição acima da soldadura 5. Por exemplo, podem ser apertadas duas braçadeiras que se apoiam sobre as guarnições com aros 2 e 4 de ambos os lados da luva 6, de maneira a bloquear os movimentos da luva 6, segundo o eixo A-A'.

Injeta-se um material pelo orifício 8 no espaço anular entre a lu* va 6 e as tubulações 1 e 3. No caso das resinas termoendurecíveis, realizase a polimerização da resina, por exemplo, por elevação de temperatura e por colocação sob pressão.

No caso em que os elementos de reforço são simplesmente en10 rolados em torno das tubulações metálicas sem induzir esforço, aplica-se uma prova hidráulica ao elemento de conduto formado pela ligação das tubulações 1 e 3, de maneira a realizar, por autoguarnição com aros uma colocação sob esforço das tubulações metálicas e dos elementos de reforço.

Obtém-se um elemento de condução de alta pressão, de acordo 15 com a invenção, composto de tubulações guarnecidas com aros soldadas. O material 9 injetado entre a luva e a tubulação transmite os esforços radiais entre as tubulações metálicas e a luva, a fim de que esta participe da resistência do elemento de condução e, em conseqüência, limita as solicitações mecânicas aplicadas à soldadura 5.

Além disso, o método de ligação de tubulações guarnecidas com aros, de acordo com a invenção, permite realizar condutos guarnecidos com aros de comprimento maior, a partir de trecho elementar de tubulação guarnecida com aro facilmente realizável e manipulável. Podem ser realizados elementos de conduto de alta pressão constituídos da ligação de várias tu25 bulações elementares, por exemplo, entre 4 e 20 tubulações elementares. A figura 3 representa um exemplo de conduto de alta pressão, comportando quatro tubulações elementares 11 ligadas entre si pelas conexões 12 realizadas, de acordo com a invenção. As extremidades da condução de alta pressão são munidas de conectores mecânicos 13 e 14 que permitem co30 néctar dois condutos de alta pressão.

Pode-se aplicar o método, de acordo com a invenção, para ligar ponta a ponta tubulações elementares, quando da instalação de um pipe9 line, a fim de realizar um conduto entre o fundo do mar e a superfície que pode atingir várias centenas de metros de comprimento.

De preferência, procede-se à fabricação dos elementos de conduto de alta pressão em dois tempos. Em primeiro lugar, revestem-se as tubulações metálicas com fitas compósitas em uma usina especialmente . equipada com meios de produção destinados a esse uso. Essa usina permite trabalhar tubulações de diâmetro, de espessura e de comprimentos diversos. Depois, em uma segunda etapa, as tubulações metálicas revestidas de elementos de reforço são transportadas em uma segunda usina que realiza a ligação das tubulações metálicas revestidas. De preferência, as usinas de ligações são dedicadas a um tipo particular de tubulação. Esse método oferece vantagens, tanto no nível da fabricação das tubulações elementares, quanto no transporte para os locais de ligação e de sua ligação. Com efeito, pode-se facilitar o transporte de conduto de alta pressão, dispondo a usina15 gem de montagem próximo do local de utilização. As cadências de fabricação podem ser elevadas e facilmente aumentadas, se necessário, pelo acréscimo de novas máquinas padrões.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Elemento de condução de alta pressão, comportando pelo menos duas tubulações metálicas (1,3), reforçadas por guarnições com aros (2,4), as extremidades (G) das tubulações sendo desprotegidas, as tubula5 ções (1,3) sendo ligadas ponta a ponta por uma soldadura (5) das extremidades desprotegidas, uma luva (6) recobrindo a soldadura (5), assim como uma parte (F) da guarnição com aros de cada tubulação (1,3), formando um espaço anular (9) entre as extremidades desprotegidas das tubulações (1,3) e a luva (6), esse espaço (9) sendo preenchido com um material injetável e

10 endurecível, caracterizado pelo fato de que as guarnições com aros compreendem elementos de reforço enrolados que induzem um pré-esforço circunferencial nas ditas tubulações metálicas, e no qual são escolhidas as características da luva (6), de maneira que o conjunto constituído pela luva (6), o espaço (9) cheio pelo material injetável e endurecível, e a extremidade des15 protegida das tubulações (1,3) apresenta uma resistência à pressão interna superior àquela das tubulações metálicas (1,3) reforçadas por guarnições com aros (2,4).
2. Elemento de condução de alta pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície interna da luva (6)

20 comporta estrias.
3. Elemento de condução de alta pressão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a luva (6) comporta extremidades (E) de forma cônica.
4. Elemento de condução de alta pressão, de acordo com qual25 quer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a guarnição com aro (2,4) comporta elementos de reforço em fibras revestidas em um material polímero.
5. Elemento de condução de alta pressão, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o

30 material injetável e endurecível comporta um polímero.
6. Método de fabricação de um conduto de alta pressão, comportando pelo menos duas tubulações metálicas (1,3) reforçadas por aros (2,

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4) que compreendem elementos de reforço enrolados que induzem um préesforço circunferencial nas ditas tubulações metálicas, o método caracterizado pelo fato de que comporta pelo menos as seguintes operações:

a) enrolam-se os elementos de reforço (2,4) em torno das tubu5 lações metálicas (1,3), deixando-se desprotegidas as extremidades das tubulações;

b) ligam-se ponta a ponta as tubulações (1, 3) por uma soldadura (5);

c) dispõe-se a luva (6) em posição no nível da soldadura (5), a 10 luva (6) recobrindo a soldadura (5), assim como uma parte (F) dos elementos de reforço (2,4) de cada tubulação (1,3), formando um espaço anular (9) entre as extremidades desprotegidas das tubulações (1,3) e a luva (6); e

d) injeta-se um material endurecível no espaço anular (9), e no qual são escolhidas as características da luva (6), de ma15 neira que o conjunto constituído pela luva (6), o espaço (9) cheio pelo material injetável e endurecível, e a extremidade desprotegida das tubulações (1,3) apresenta uma resistência à pressão interna superior àquela das tubulações metálicas (1,3) reforçadas por guarnições com aros (2,4).
7. Método de fabricação, de acordo com a reivindicação 6, ca20 racterizado pelo fato de que, na etapa d), se polimeriza o material endurecível.
8. Método de fabricação, de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que, na etapa a), se enrolam sob tensão os elementos de reforço (2, 4), de maneira a introduzir um pré-esforço circunfe25 rencial nas tubulações metálicas (1,3).
9. Método de fabricação, de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que, antes da etapa b), se aplica uma pressão interna nas tubulações (1, 3), revestidas de elementos de reforço (2, 4) até deformar as tubulações (1, 3), de maneira plástica, a fim de introduzir um

30 pré-esforço circunferencial nas tubulações metálicas (1, 3).
10. Método de fabricação, de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que, após a etapa d), se aplica uma pressão

Petição 870180062878, de 20/07/2018, pág. 8/13 interna no elemento de condução, até deformar as tubulações metálicas (1, 3), de maneira plástica, a fim de se introduzir um pré-esforço circunferencial nas tubulações metálicas (1,3).
11. Método de fabricação, de acordo com qualquer uma das rei5 vindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de que se efetua a operação a) em uma usina especializada, depois se transportam as tubulações revestidas de elementos de reforço sobre o local de ligação, depois são efetuadas as operações b), c) e d) sobre o local de ligação.

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